Facteurs de processus, de conception et de matériau pour le contrôle des vides pour les applications thermiquement exigeantes

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Le vide de soudure est un phénomène courant dans tous les assemblages de boîtiers de semi-conducteurs et de cartes électroniques. Les vides sont un défaut gênant dans les assemblages créés à l'aide de la technologie de montage en surface. Les vides peuvent interférer avec les signaux électriques, peuvent être des isolants lorsque la dissipation thermique est nécessaire, et ils peuvent également être la source de propagation de fissures et de défaillance précoce d'un assemblage lorsqu'ils se produisent près de la surface de la pastille. Les niveaux acceptables de vide varient en fonction de l'application finale et de l'environnement dans lequel il est utilisé. Dans le cas d'applications exigeantes sur le plan thermique telles que l'éclairage LED automobile et extérieur, un contrôle du vide est nécessaire afin d'optimiser les performances et de prolonger la durée de vie de ces composants. Plus le vide sur ces pastilles thermiques et électriques est faible, meilleure est la connexion au PCB et aux couches suivantes.

De nombreux facteurs influencent la fréquence et la taille des vides. Cette étude se concentre sur plusieurs considérations de sélection de processus, de conception et de matériaux qui contrôlent ou réduisent potentiellement les vides pour répondre aux critères d'acceptation de l'industrie et du marché final. Plus précisément, la conception des boîtiers, les profils de refusion et la chimie des pâtes à braser sont abordés sous la forme d'études d'application. Des boîtiers commerciaux PLCC de moyenne puissance et des LED céramiques haute puissance sur des circuits imprimés à noyau métallique en aluminium, ainsi que des BGA, D-Pak et MLF sur des PBC FR4 ont été utilisés pour ces études de cas.

Figure 1:Éviter le piégeage dans la couche de soudure.

L'acceptation mondiale des sources lumineuses à base de LED a propulsé la technologie économe en énergie pour pénétrer de nombreux marchés et applications finales, y compris les segments d'éclairage à haute puissance. Les exemples incluent les phares automobiles extérieurs, l'éclairage des chaussées/rues, les luminaires industriels pour grande hauteur, l'éclairage architectural et de divertissement. Par conséquent, les attentes des clients en matière de maintien de l'efficacité, des réglementations gouvernementales, de la sécurité et de la réduction des coûts globaux des systèmes/remplacement sont importantes pour satisfaire les taux d'adoption.

Pour ces exigences élevées de fiabilité et de durée de vie, il est essentiel d'avoir une excellente fiabilité d'interconnexion d'assemblage pour répondre aux besoins ci-dessus.

Le rôle des interconnexions dans les DEL de niveau 1 (attache de puce/puce) et de niveau 2 (attache de boîtier à bord) est fondamentalement de :

Figure 2:Chemin de chaleur LED haute puissance.

Les vides, qui sont des poches de gaz piégés par le flux de soudure, peuvent causer des problèmes pour les signaux électriques, peuvent agir comme des résistances thermiques lorsque la dissipation thermique est nécessaire, et ils peuvent également être la source de la propagation des fissures et de la défaillance précoce d'un assemblage. La figure 1 représente des vides de grande surface dans la couche de soudure en vrac. Le phénomène d'occurrence de vide est un système complexe ; il existe de nombreux facteurs qui entraînent différents niveaux de miction. Exemples : chimie, profil de refusion, volume de matériau, finition des pastilles soudables et conception des pastilles des composants (thermiques et électriques).

Pour les assemblages de fixation de puce LED de niveau 1, l'utilisation de soudures traditionnelles peut être considérée comme un avantage à la fois en termes de facilité de traitement et de coût. Cependant, l'importance de la gestion thermique est essentielle pour les LED haute et ultra-haute puissance. La température de jonction dans la LED augmente avec l'augmentation du courant d'entraînement. Étant donné que plus de 50 % de la puissance d'entrée électrique est dissipée sous forme de chaleur en raison de la baisse d'efficacité à des courants d'entraînement élevés dans les LED, cette augmentation de la température de jonction réduit le flux lumineux en augmentant la probabilité de recombinaison non radiative entraînant une baisse de l'efficacité et de la durée de vie nominale. Par conséquent, la chaleur dissipée doit être retirée de la jonction afin de maintenir l'efficacité de conversion de la lumière et le rendement lumineux du boîtier LED haute puissance. Les différents composants du chemin de flux de chaleur dans un boîtier LED haute puissance sont illustrés à la figure 2.

Tableau 1:Détails du véhicule d'essai.

De plus, pour le niveau 1, les exigences de traitement des boîtiers LED avec fixation de matrice à base de soudure sur les cartes en tant qu'assemblage de niveau 2 nécessitent une capacité de refusion à plusieurs soudures. Avec plusieurs refusions de la même couche de masse de soudure, cela peut augmenter les niveaux de vides ayant un impact sur la fiabilité globale de la pile au niveau de la couche de niveau 1.

Pour les assemblages embarqués de niveau 2, les LED sont de plus en plus intégrées avec divers composants IC traditionnels tels que les BGA, les D-Paks et les MLF montés directement sur la même carte. Ceci est motivé par la nécessité pour les systèmes d'éclairage d'aller au-delà de l'éclairage général en fournissant des fonctionnalités plus complexes telles que le contrôle, la détection et la modulation. Les vides de grande surface peuvent créer des problèmes dans le signal électrique ou générer des fissures dues au cycle thermique/à la fatigue. Il est donc nécessaire d'avoir des interconnexions plus robustes et à faible vide au niveau de la couche 2.

Tableau 2:Dimensions de la pastille LED (mm).

Procédure expérimentale – Cas de conception

Tableau 3:Conditions d'impression.

Il existe une variété de conceptions de LED utilisées dans l'industrie, allant de la structure/taille de conception et des matériaux d'emballage, c'est-à-dire la céramique et le plastique. Le but de cette expérience est d'observer l'effet de la miction sur la base de trois structures différentes, la principale différence étant les géométries des coussinets. Par exemple, une conception à 2 pads où l'anode et la cathode sont symétriques, une conception à 3 pads à rapport d'aspect élevé où le pad thermique central est légèrement plus grand en termes de surface totale et enfin, une conception à 3 pads où le pad thermique central est nettement plus grand en termes de surface totale par rapport à l'anode et à la cathode. Le tableau 2 montre la surface totale et la construction des pastilles LED.

MATÉRIAUX D'ASSEMBLAGE ET COMPOSANTS

Substrat

Le substrat utilisé dans cette étude est un circuit imprimé à noyau en aluminium conçu sur mesure. Les détails particuliers de cette carte sont présentés dans le tableau 1.

Composants DEL

Pour cette étude, trois LED haute puissance disponibles dans le commerce ont été sélectionnées avec différentes géométries de pastilles. Les paramètres des dimensions de l'anode, de la cathode et du tampon thermique pour les LED sont répertoriés dans le tableau 2. Toutes les dimensions sont en millimètres. Les LED ont été choisies pour émuler des packages communs sélectionnés dans des assemblages haute et ultra-haute puissance.

Pâtes à souder

Une pâte à souder sans nettoyage disponible dans le commerce a été utilisée pour cette étude connue en utilisant un alliage à base de SAC de taille de particules de type 4 (taille de particules de 38 à 20 en µm (80 % min. Entre les deux)).

PROCESSUS ET MÉTHODE DE TEST

Détails de traitement de l'équipement

L'impression de la pâte à souder a été réalisée à l'aide d'une imprimante DEK Horizon 03iX avec un pochoir en acier inoxydable découpé au laser de 4 mils d'épaisseur avec un rapport de 1 à 1 entre la taille de l'ouverture et la taille du tampon. Les paramètres d'impression au pochoir utilisés pour toutes les pâtes à souder sont indiqués dans le tableau 3.

Soudage par refusion

Le profil de refusion de trempage a été utilisé dans cette étude illustrée à la figure 2, les températures sont affichées dans le tableau 4.

Tableau 4 :Profil de refusion utilisé dans l'étude.

Méthode d'essai

Pour mesurer et quantifier les performances de vide des différentes pâtes et dispositions des pastilles LED, les cartes assemblées et refondues ont été chargées dans une unité d'analyse à rayons X et programmées pour quantifier la surface de chaque vide en pourcentage de la surface totale des pastilles et le nombre de vides sous l'emballage.

Pour lire l'article complet, paru dans le numéro d'octobre 2018 du magazine SMT007, cliquez ici.

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